Технические средства радионуклидной диагностики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технические средства радионуклидной диагностики

Практически во всех аппаратах и системах для РН диагностики используется гамма-излучение. Для его регистрации и обработки получаемой информации используются радиометры, сканеры, гамма-камеры и эмиссионные томографы.

Простейшими из названных устройств являются радиометры. Они предназначены для слежения за процессом накопления и выведения РН в определенном месте. Результат обследования получают немедленно с помощью счетчиков и индикаторов или с помощью регистраторов (самописцев) на бумажной ленте. Радиометры часто применяют для а) б)

Рисунок 1. Установка для радиометрииобследования щитовидной железы

Радиометр не имеет прямого отношения к интроскопии, т.е. визуализации, но на его примере можно изучить некоторые общие принципы первичного преобразования гамма-излучения. Схема установки для радиометрии показана на рис.1.

Детектор, закрепленный на штативе (рис.1,а), принимает и преобразует гамма-излучение, исходящее от источника, в данном случае накапливающегося в щитовидной железе. Наиболее часто детекторы -квантов выполняют на сцинтилляторах и, в отличие от детекторов рентгеновского излучения, они почти всегда работают в режиме счета. В аппаратном блоке счетчик подсчитывает электрические импульсы, вызываемые сцинтилляциями за определенный интервал времени. Цифровые данные преобразуются с помощью ЦАП в аналоговый сигнал, который может быть выведен на регистратор. На рис.1,б показана конструкция блока детектора. Собственно детектор состоит из сцинтиллятора 1 и ФЭУ 2, которые защищены от фонового излучения свинцовым кожухом 3. Между кристаллом сцинтиллятора и ФЭУ помещают световод 4. Гамма-излучение от источника попадает на сцинтиллятор через коллиматор Он представляет собой свинцовый тубус и служит для получения диаграммы направленности нужной формы, обеспечивающей избирательность приема.

Гамма-кванты, бомбардирующие сцинтиллятор, возбуждают в нем вспышки света (фотоны) которые принимаются фотокатодом ФЭУ. В качестве сцинтиллятора наиболее часто используют кристаллы NaI(Tl) - йодистый натрий с примесью таллия. Важнейшими параметрами детектора являются сцинтилляционная эффективность и эффективность регистрации. Сцинтилляционная эффективность представляет собой отношение энергии фотонов к энергии выбившего их -кванта. Один -квант выбивает множество фотонов. Например, -квант технеция 99mТс с энергией 140 кэВ мог бы выбить около 50 тыс. фотонов с энергией 3 эВ, что соответствует длине волны 415 нм, характерной для излучения NaI(Tl). Однако ввиду того, что вероятность встречи -кванта с молекулами сцинтиллятора меньше единицы, количество выбитых фотонов будет меньше указанного числа. Но оно будет к нему приближаться с увеличением толщины кристалла.

Эффективность регистрации представляет собой отношение числа импульсов, зарегистрированных счетчиком, к числу -квантов, попавших на определенный участок детектора. Эффективность регистрации является интегральным параметром, который зависит от свойств ФЭУ, толщины сцинтиллятора и других факторов. С ростом толщины кристалла происходит все большее ослабление интенсивности светового потока, доходящего до фотокатода ФЭУ. Кроме того, траектории фотонов могут быть косыми, т. е. фотоны не будут попадать в окно ФЭУ. Отсюда следует, что толщину кристалла следует выбирать оптимальной. Обычно ее берут равной 9 мм. Для лучшего собирания фотонов, а, следовательно, и повышения результирующей эффективности, боковую поверхность световода делают конусообразной, а поверхности контакта ФЭУ и кристалла со световодом смазывают силиконовым вазелином (рис.2).

По своим оптическим свойствам он близок к окружающим его материалам. Реальная эффективность детектора составляет около 12%.

Большую роль в регистрации гамма-излучения играют коллиматоры.

Рисунок 3. Конструкции коллиматоров

От них зависит поле обзора и фиксация глубины расположения области с максимальной концентрацией РФП. На рис.3 изображены коллиматоры трех типов. На рисунке тонкими линиями показаны так называемые изосчетные зоны - поверхности, с которых принимается равное число импульсов в единицу времени. Коллиматор с цилиндрическим отверстием имеет расходящуюся диаграмму направленности, а коллиматор с коническим отверстием - более узкую, т.е. съем информации производится с большей избирательностью. Коллиматор с узкими сходящимися отверстиями позволяет локализовать прием сигналов до весьма малого объема.

Перед началом работы радиометры и другие устройства для радионуклидной диагностики настраивают на фотопик - максимальное число импульсов, подсчитываемое в единицу времени. Для этого задают энергетическое окно - верхний и нижний уровни энергий, которые представляют собой некоторые уровни напряжений, подаваемые на пороговые устройства. Регулируя средний уровень Еср, перемещают окно вдоль энергетического диапазона и для каждого положения окна подсчитывают число импульсов в единицу времени, т. е. снимают спектр гамма-излучения применяемого РФП (рис.4).

На спектральной характеристике находят фотопик. Обычно окно настраивают так, чтобы его середина приходилась на вершину фотопика, а его края отстояли от вершины на 10% . В этом случае говорят о 20%-ном окне.

Следует также учитывать, что с ростом активности РН, используемого для исследования, растет и скорость счета, и при некоторой ее величине регистрирующее устройство не успевает реагировать на сцинтилляции, т.е. возникает погрешность. Для ее уменьшения нужно повышать быстродействие электронных регистрирующих устройств и выбирать оптимальную активность РФП. Как правило, скорость счета в устройствах для РН диагностики не превышает 300000 имп/c. На практике допускают уменьшение частоты счета на 20% от идеальной линейной характеристики «активность РН - частота счета».

Первым шагом к визуализации в радионуклидной диагностике было создание и применение сканеров - устройств для графического отображения на бумаге информации о накоплении РН в исследуемой области. Сканер осуществляет пошаговое обследование (механическое сканирование) достаточно обширного участка тела, в котором находится РФП. Кроме основных узлов, присущих любому радиодиагностическому прибору, он имеет еще устройство для перемещения коллимированного детектора над поверхностью тела и средства для построения изображения (рис.5).

Рисунок Схема сканера (гамма-топографа)

Изображение, называемое гамма-топограммой, получают с помощью пера, которое наносит штрихи на бумагу. Перо управляется соленоидом. Детектор построчно обходит исследуемый участок тела с заранее заданной скоростью, которую выбирают с учетом интенсивности излучения РФП - чем больше частота регистрируемых импульсов, тем быстрее можно перемещать датчик. От детектора в аппаратный блок поступает определенное количество импульсов за единицу времени, а на соленоид подается некоторое число импульсов тока. Перо наносит штрихи на бумагу. Чем больше импульсов в единицу времени поступит от детектора, тем больше штрихов будет нанесено на бумагу. Таким образом, густота штрихов отображает интенсивность излучения из некоторой малой области тела. Для большей наглядности гамма-топограмму изображают цветными штрихами. Обычно используют три цвета. Каждый цвет соответствует определенной частоте импульсов, получаемых от детектора. Сканеры позволяют проводить обследование участков с большими площадями - 400400 мм. К их недостаткам следует отнести большое время, необходимое для получения изображения.

Этап истинной визуализации в радионуклидной диагностике начался с появлением гамма-камеры. Первая гамма-камера была изготовлена в 1952 г. в США под руководством Энгера. Она представляет собой устройство с многоэлементным детектором, позволяющее получить пространственное изображение распределения радиоактивности в исследуемом объекте.

Рисунок 6. Гамма-камера.

В гамма-камере отдельные световые вспышки, возникающие в сцинтилляторе, регистрируются не одним ФЭУ, а несколькими. С помощью специальных преобразовательных устройств получают информацию о месте возникновения вспышки и ее энергетических параметрах. Первые гамма-камеры имели небольшое число ФЭУ (7 - 9). Причем, использовались ФЭУ большого диаметра.

Современные гамма-камеры содержат 75 - 90 ФЭУ, но их принцип действия в основном остается прежним. На рис.6 показаны разрез гамма-камеры (а) и расположение ФЭУ (б, в).

Гамма-кванты попадают на сцинтиллятор 1 через узкие отверстия свинцового коллиматора 2. Возбуждаемые в сцинтилляторе световые вспышки по световодам 3 поступают на фотокатоды ФЭУ 4. Электрические сигналы от ФЭУ преобразуются в электронном блоке В современных гамма-камерах этот блок выполняет большинство предварительных преобразований и выдает информацию в цифровой форме, вводимую в ЭВМ. Все внутренние узлы защищены свинцовым кожухом 6. Коллиматор, по сути, представляет собой свинцовое сито большой толщины с круглыми или шестигранными отверстиями диаметром 1,5 - 1,7 мм. Назначение коллиматора - обеспечить попадание на детектор -квантов с нормальными к его поверхности траекториями. Это необходимо для однозначного определения координат вспышки. Обычно в гамма-камерах используют несколько сменных коллиматоров толщиной 1 -3 см для различных энергий -квантов. При использовании высокоэнергетических РН устанавливают толстые коллиматоры, и это понятно - при малой толщине -кванты с косыми траекториями «пробивали» бы стенки отверстий.

Распределение света между отдельными ФЭУ, а следовательно и амплитуды выдаваемых ими импульсов, зависит от места вспышки. Предположим, что -квант вызвал вспышку на оси центрального ФЭУ Ф7 (рис.6,б). Тогда амплитуда полученного от него сигнала будет максимальной, а остальные ФЭУ дадут сигналы с меньшими, но равными амплитудами. Если же поглощение кванта и сцинтилляция произойдут ближе к периферии, как показано на рис.6, в, то ФЭУ Ф1, Ф2, Ф7 дадут примерно одинаковые сигналы, а остальные - меньшие, в зависимости от удаленности от места вспышки. Как видим из рисунка, ФЭУ располагаются в правильном шестиугольнике. Такая конфигурация встречается и в современных гамма-камерах с большим числом ФЭУ, но большинство их них имеет детекторы прямоугольной формы.

Главной задачей, решаемой при визуализации гамма-изображения, является определение координат и энергии -кванта (вспышки). И раньше и теперь она в основном решается аналоговыми средствами. Раньше - потому, что не было быстродействующих АЦП и ПЭВМ, теперь - потому, что количество ФЭУ в гамма-камере стало очень большим, и применение АЦП для преобразования сигналов каждого ФЭУ в отдельности привело бы к чрезмерным аппаратным затратам. Хотя, при современном уровне развития элементной базы, возможен и этот путь. Рассмотрим основные принципы аналогового преобразования сигналов ФЭУ с целью получения координатной и энергетической информации.

На рис.7 изображена матрица из 19 ФЭУ (такая конфигурация была самой распространенной в гамма-камерах 80-х годов минувшего столетия). Разобьем массив ФЭУ по квадрантам прямоугольной системы координат XOY. Обозначим координаты центров ФЭУ первого квадранта как , , второго квадранта - как , и т. д. Идея определения координаты и энергии сцинтилляции заключается в том, чтобы использовать для этого электрические сигналы ФЭУ. Эти сигналы усиливаются предварительными усилителями. При идентичности всех ФЭУ и предварительных усилителей их выходные сигналы будут зависеть только от места и энергии сцинтилляции. Но если мерой энергии -кванта, вызвавшего сцинтилляцию, вполне может служить сумма сигналов всех ФЭУ, то с координатами дело обстоит сложнее. Чтобы по сигналам ФЭУ определить координаты вспышки, вводят дополнительный преобразователь, представляющий собой группу сумматоров, которые суммируют сигналы ФЭУ с весовыми коэффициентами, соответствующими координатам центров ФЭУ. Структурная схема координатно-энергетического преобразователя приведена на рис. 8.

Следует учитывать, что полярность выходных сигналов всех ФЭУ, т. е. их предварительных усилителей, одинакова. Поэтому при определении координат отдельно суммируются амплитуды сигналов ФЭУ, расположенных в соответствующих положительных и отрицательных полуплоскостях. Вес каждого ФЭУ () в общем сигнале определяется его положением: чем ближе к краю матрицы находится ФЭУ, тем больше его вес независимо от полуплоскости, в которой он находится. Вес ФЭУ задается сопротивлениями резисторной матрицы: чем он больше, тем меньше сопротивление весового резистора.

Суммы координат центров ФЭУ разных полуплоскостей обозначены как X+, Y+, X- , Y- . Результирующие координаты определяются как разности X = X+ - X- и Y = Y+- Y- .

Рис. 8 Аналоговый преобразователь сигналов детектора гамма-камеры.

Таким образом, при униполярных сигналах X+, Y+, X- , Y- результирующие координатные сигналы Х и Y могут оказаться положительными, отрицательными и равными нулю. Однако полученные таким способом координаты сцинтилляции зависят от энергии -кванта, вызвавшего эту сцинтилляцию. Чтобы избавиться от этой зависимости, величины X+ - X- и Y+- Y- делят на энергетический сигнал Z и, таким образом, получают скорректированные энергонезависимые координаты

и . (1)

Очевидно, что при изменении энергии -кванта будут пропорционально изменяться величины числителей и знаменателей в выражениях (1), а следовательно их отношения будут определяться только координатами центров ФЭУ. Корректоры координат в структурной схеме рис. 8 представляют собой аналоговые делители сигналов. Поэтому к ним предъявляются повышенные требования в отношении быстродействия, шумов и дрейфа.

Количественной мерой энергии -кванта, вызвавшего сцинтилляцию, служит сумма амплитуд сигналов от всех ФЭУ. Эти сигналы суммируются с одинаковыми весовыми коэффициентами. Далее возможны два пути преобразования информации - аналоговый и цифровой. В первом случае координатные и энергетические сигналы подаются на электронно-лучевую трубку, причем координатные сигналы воздействуют на ее отклоняющую систему, а энергетические - управляют яркостью электронного луча. В результате на экране ЭЛТ возникает изображение, состоящее из отдельных точек с различной поверхностной плотностью распределения. Это изображение называется сцинтиграммой. Именно в таком виде выдавали информацию первые гамма-камеры (камеры Энгера).

Цифровой путь более сложен, но в современных гамма-камерах применяется только этот путь. Его сущность заключается в следующем. Аналоговые координатные и энергетические сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые данные и вводятся в ЭВМ. В памяти ЭВМ изображение формируется в виде матрицы 512512, 256256 или другой размерности. Каждая ячейка матрицы соответствует определенной точке детектора с известными координатами. Данные координатных АЦП служат для адресации элементов матрицы. Если энергетический сигнал Z, вызванный сцинтилляцией в некоторой точке детектора, попадает в установленное энергетическое окно, то в ячейку матрицы с адресом, задаваемым координатными АЦП, добавляется (инкрементируется) единица. В результате, в процессе обследования, в отдельных ячейках матрицы накапливаются различные числа, которые служат мерой интенсивности -излучения в данном элементарном объеме исследуемой области. Эту информацию на изображении кодируют цветом: большой интенсивности соответствует белый цвет, меньшей - желтый, красный, зеленый и т. д.

Кроме вышерассмотренных общих параметров, характеризующих работу детекторов -излучения, для оценки качества детекторов гамма-камер требуются дополнительные параметры, учитывающие специфику визуализации. Сюда относятся разрешающая способность детектора, неравномерность чувствительности по поверхности, или неоднородность, и линейные искажения, или дисторсия.

Разрешающую способность можно определить как способность системы различать изображения двух узких пучков -излучения, расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии. Эти изображения получаются в виде размытых областей сцинтилляций.

При сближении источников области начинают перекрываться. Более объективный показатель разрешающей способности можно получить, используя линейный источник и измеряя разброс амплитуд координатных сигналов (рис.9). Источник представляет собой капилляр, заполненный РФП и помещенный в узкую щель в свинцовой пластине (рис 9, а). Источник располагается вплотную к детектору вдоль одной из главных осей, например Оy. С помощью амплитудного анализатора с узким энергетическим окном снимают спектр импульсов Х-сигнала, который называют также функцией размытости (рис.9, б). Разрешающую способность определяют как ширину функции размытости на уровне половины максимальной высоты.

Для оценки разрешения детектора на большой площади применяют два параллельных линейных источника, разнесенных на достаточно большое расстояние (до 100 мм). Разрешение в этом случае определяют как среднее значение ширины функции размытости для каждого капилляра. У лучших образцов гамма-камер пространственное разрешение достигает 4 мм.

Рисунок 9. Определение разрешения детектирующей системы.

Неравномерность чувствительности по поверхности проявляется в неодинаковой скорости счета при равномерном облучении детектора широким пучком -квантов. Она объясняется неоднородностью кристаллической структуры сцинтиллятора, дискретностью фотопреобразователей (ФЭУ) и разбросом их характеристик. Важнейшими из них являются амплитудно-пространственная характеристика (АПХ) и коэффициент усиления. АПХ представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала ФЭУот координаты сцинтилляции и имеет максимум в центре его апертуры. Особенно важна стабильность коэффициента усиления ФЭУ: при его изменении меняется скорость счета в соответствующем участке. Поэтому нужен постоянный контроль всей матрицы ФЭУ, так как ухудшение параметров даже одного из них приведет к отображению соответствующего участка исследуемого объекта как «холодного». Разрешающая способность и однородность зависят от ширины энергетического окна: чем оно уже, тем выше разрешение, но хуже однородность, и наоборот.

Линейные искажения проявляются в искривлении прямых линий на изображении. Эти искажения носят систематический характер и обусловлены расположением и параметрами ФЭУ, конструкцией коллиматора и другими факторами. При настройке гамма-камеры они выявляются с помощью специальных приспособлений - бар-фантомов и дырчатых фантомов, которые изображены на рис.10.

Рисунок 10. Фантомы для контроля качества изображения гамма-камеры

гамма излучение аппарат радионуклидная диагностика

Бар-фантом представляет собой диск из оргстекла с вмонтированными в него узкими свинцовыми пластинками (барами) различной толщины и ориентации, а дырчатый фантом, по сути, является коллиматором с отверстиями, расположенными достаточно далеко (5 - 9 мм) друг от друга. Бар-фантом облучают точечным источником (например, 57Со), отнесенным на большое расстояние (не менее пяти диаметров детектора). На таком расстоянии излучение можно считать параллельным. Получаемые контуры щелей на изображения выглядят волнистыми. Дырчатые фантомы применяют при настройке системы коррекции линейных искажений. Для этого его также облучают веером от точечного источника, расположенного на большом расстоянии и получают изображения отверстий. По их смещению относительно истинных положений отверстий судят о величине искажений и рассчитывают необходимую коррекцию при определении координат.

Уменьшения рассмотренных выше искажений добиваются оптическими, схемотехническими и программными методами. Они будут рассмотрены позднее.

В первых гамма-камерах детекторные головки были неподвижными или имели ограниченное перемещение, и для получения -изображений различных участков тела перемещали стол пациента. Современные гамма-камеры могут работать в статическом режиме, сканировать пациента вдоль тела и производить томографирование (рис. 11).

Рисунок 11. Виды исследований на эмиссионном томографе

Такие установки называют одноэмиссионными (или однофотонными) томографами. В режиме сканирования гамма-камера медленно перемещается вдоль тела пациента (рис 11, а) и в результате получается цветное -изображение всего тела. Такие исследования проводят для обнаружения метастазов в костных структурах. В режиме томографирования детекторная головка вращается вокруг ложа с пациентом (рис.11, б). При этом получают несколько кадров (проекций), на основании которых можно затем реконструировать изображения сечений (гамма-томограммы) любой ориентации.

Меньшее распространение имеют двухфотонные эмиссионные томографы. Их действие основано на применении РФП, которые содержат радионуклиды с позитронным распадом. Поэтому они называются еще позитронными эмиссионными томографами (ПЭТ). Образующийся при распаде позитрон пролетает несколько миллиметров и аннигилирует с электроном. При этом образуются два -кванта, энергия которых определяется равенством h = mc2 и составляет 511 кэВ. Эти -кванты разлетаются в противоположных направлениях. Для их регистрации применяют две детекторные головки, находящиеся по разные стороны от пациента, и имеющие соосное расположение отверстий коллиматора. Благодаря этому регистрируются только -кванты, траектории которых нормальны к рабочей поверхности детектора. Схема регистрации показана на рис.12.

Рисунок 12. Детектор позитронного эмиссионного томографа.

Образовавшиеся в актах аннигиляции 1 и 2 -кванты разлетаются по прямым, проходящим через отверстия коллиматоров. При этом детекторы 1 и 2 одновременно вырабатывают электрические сигналы. Схема совпадений регистрирует только такие сигналы. При этом однозначно и с большой точностью определяется место источника излучения. Гамма-кванты, возникшие в акте 3, имеют косую траекторию и отсеиваются коллиматорами, а -квант 4 является одиночным (он мог оказаться продуктом распада какой-либо примеси) и не регистрируется схемой совпадений. Отсюда видно, что ПЭТ обладают высокой разрешающей способностью и избирательностью.

Однако ПЭТ имеют свою специфику, затрудняющую их применение: ввиду очень высокой энергии -квантов для исследований, проводимых на ПЭТ, требуются ультракороткоживущие (УКЖ) изотопы. Типы некоторых наиболее часто применяемых УКЖ изотопов и их периоды полураспада приведены в табл.1. Такие изотопы получают в специальных малогабаритных циклотронах при клиниках, оборудованных ПЭТ - ПЭТ-центрах.

Таблица 1. Ультракороткоживущие изотопы

Стоимость ПЭТ-центров весьма высока - около 5 млн. долл. Обслуживающий персонал составляет 7 - 8 человек при общей годовой зарплате 300000 долл. Поэтому ПЭТ-центры окупаются при количестве обследований не менее 16 в день и при стоимости обследования около 1000 долл. Письменный опрос ПЭТ-центров выявил, что большинство из них работает неэффективно. Ситуация, наблюдаемая здесь, аналогична той, которая характерна для МРТ с сильными полями: эти МРТ обладают высокими диагностическими возможностями, но очень дороги в производстве и эксплуатации. В настоящее время рост числа ПЭТ-центров замедлился. В большинстве стран (Украина, Россия, Китай и даже Япония) основным средством для РН диагностики остается одноэмиссионный томограф. Считается, что для диагностики высокого уровня в такой большой стране, как Украина, достаточно 2 - 3 ПЭТ-центра.

Размещено на Allbest.ru